材料力學(xué)性能第八章-金屬高溫力學(xué)性能

第八章金屬高溫力學(xué)性能材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能主要內(nèi)容金屬蠕變現(xiàn)象金屬高溫力學(xué)行為蠕變變形及斷裂機理高溫性能指標(biāo)及影響因素材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能金屬材料在高溫下的力學(xué)行為

在高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、柴油機、航空發(fā)動機等設(shè)備中，很多機件長期在高溫下服役。對于這類機件的材料，只考慮常溫短時靜載時的力學(xué)性能是不夠的。如化工設(shè)備中高溫高壓管道，雖然承受的應(yīng)力小于該工作溫度下材料的屈服強度，但在長期使用過程中會產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，使管徑逐步增大，甚至?xí)?dǎo)致管道破裂。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能民用機接近1500℃，軍用機在2000℃左右。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能

對長期在高溫條件下工作的金屬機件，如果僅考慮常溫短時靜載下的力學(xué)性能顯然是不夠的。因為溫度和作用時間對金屬材料的力學(xué)性能影響很大。

1、溫度的影響：一般隨溫度升高，金屬材料的強度降低而塑性增加。

2、載荷持續(xù)時間的影響：如果不考慮環(huán)境介質(zhì)的影響，則可認為材料的常溫靜載力學(xué)性能與載荷持續(xù)時間關(guān)系不大。但在高溫下，載荷持續(xù)時間對力學(xué)性能有很大影響。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能

⑴σ<

σs

，長期使用過程中，會產(chǎn)生蠕變，可能最終導(dǎo)致斷裂。⑵隨載荷持續(xù)時間的延長，高溫下鋼的抗拉強度降低。⑶在高溫短時拉伸時，材料的塑性增加；但在長時載荷作用下，金屬材料的塑性卻顯著降低，缺口敏感性增加，往往呈現(xiàn)脆性斷裂。⑷溫度和時間的聯(lián)合作用還影響材料的斷裂路徑。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能3、等強溫度

隨試驗溫度的升高，金屬的斷裂由常溫下常見的穿晶斷裂過渡到沿晶斷裂。原因：溫度升高時，晶粒強度和晶界強度都降低，但由于晶界上原子排列不規(guī)則，擴散容易通過晶界進行，因此晶界強度下降較快。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能

金屬材料在高溫下的力學(xué)性能，還必須加入溫度和時間兩個因素，研究溫度、應(yīng)力、應(yīng)變與時間的關(guān)系，才能建立評定金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)。

4、約比溫度⑴定義：試驗溫度t與金屬熔點tm的比值（t/tm）。t，tm均為絕對溫度。⑵衡量：當(dāng)t/tm>0.5時，為“高溫”；反之則為“低溫”

。⑶意義：對于不同的金屬材料，在同樣的約比溫度下，其蠕變行為相似，其力學(xué)性能變化規(guī)律也是相同的。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能§8－1金屬的蠕變現(xiàn)象

一、蠕變的定義金屬在長時間恒溫、恒載荷（即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強度）作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由蠕變變形導(dǎo)致的材料的斷裂，稱為稱為蠕變斷裂。蠕變在低溫下也會產(chǎn)生，但只有當(dāng)約比溫度大于0.3時才比較顯著。如碳鋼超過300℃、合金鋼超過400℃時就必須考慮蠕變的影響。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能

二、金屬的蠕變過程金屬的蠕變過程可用蠕變曲線來描述：第一階段：ab減速蠕變階段，又稱過渡蠕變階段。開始大，逐漸減速；第二階段：bc恒速蠕變階段，又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段。速率幾乎保持不變；第三階段：cd加速蠕變階段，逐漸增大，最后產(chǎn)生斷裂。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能蠕變曲線的常用經(jīng)驗表達式瞬時應(yīng)變

減速蠕變

恒速蠕變

一般為小于1的正數(shù)材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能蠕變速率

材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能

不同材料的蠕變曲線不同，同一材料的蠕變曲線隨著溫度高低及應(yīng)力的大小而有不同：只有在適當(dāng)?shù)膽?yīng)力和溫度范圍才可清楚地顯示出減速蠕變階段、恒速蠕變階段和減速蠕變?nèi)齻€階段。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能

三、應(yīng)力松弛對于在高溫下工作、依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機件，在總變形量不變的前提下，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩构ぷ鲬?yīng)力降低，導(dǎo)致失效。

在溫度及初始應(yīng)力一定時，材料中的應(yīng)力隨著時間的增加而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。

可以看成應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過程。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能應(yīng)力松弛：應(yīng)變a）、應(yīng)力b）隨時間變化曲線材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能16§8-2蠕變變形與蠕變斷裂機理一、蠕變變形機理

金屬的蠕變變形主要通過位錯滑移、原子擴散等機理進行，與溫度及應(yīng)力的變化有關(guān)。（一）位錯滑移蠕變常溫下，如果滑移面上的位錯運動受阻產(chǎn)生塞積，滑移就不能進行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運動和增殖。高溫下，位錯可借助于外界提供的熱激活能和空位擴散克服某些短程障礙，有利于加強位錯的運動（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障礙。從而產(chǎn)生塑性變形。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能17當(dāng)塞積在某種障礙前的位錯通過熱激活可以在新的滑移面上運動，或與異號位錯相遇對消、或形成亞晶界、或被晶界吸收。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能18

在蠕變第一階段：由于蠕變變形逐步產(chǎn)生應(yīng)變硬化，使位錯源移動的阻力及位錯滑移的阻力逐漸增大，使得蠕變速率不斷降低。也稱為“減速蠕變階段”。

蠕變第一階段是很短的，不超過幾百小時。一般在高溫下工作的機件所要求的壽命都設(shè)定在蠕變第二階段。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能

在蠕變第二階段：當(dāng)某一位錯被激活發(fā)生攀移時，位錯源再次放出一個位錯，形成動態(tài)回復(fù)過程，硬化與軟化達到平衡，蠕變速率為一常數(shù)。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能20

（二）擴散蠕變

這是在較高溫度下的一種蠕變變形機理，約比溫度t/tm>0.5。高溫和應(yīng)力的作用下，空位、原子的定向擴散（不均勻應(yīng)力場）。∴材料產(chǎn)生蠕變。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能21

承受拉應(yīng)力（A、B晶界）的晶界，空位濃度減小；承受壓應(yīng)力（C、D晶界）的晶界，空位濃度增加。這種晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶界遷移，原子朝相反方向運動，使得晶體伸長的蠕變，稱為擴散蠕變。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能22

（三）晶界滑動高溫和應(yīng)力的作用下，因晶界上的原子容易擴散，受力后晶界易產(chǎn)生滑動（即晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動），也促進蠕變進行。晶界滑動對蠕變的貢獻較小，一般在10％左右；此機理不是獨立的機理，因晶界滑動要與晶內(nèi)滑移變形相配合，否則不能維持晶界的連續(xù)性，導(dǎo)致晶界產(chǎn)生裂紋。∴晶粒減小，晶界滑動對蠕變的作用越大。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能23

二、蠕變斷裂機理實驗表明，不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形成方式有兩種：

1、在三晶粒交會處形成楔形裂紋這是在高應(yīng)力和低溫下，由于晶界滑動在三晶粒交會處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能高應(yīng)力和低溫下三晶交界處楔形裂紋鍋爐高溫耐熱鋼斷口組織材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能252、在晶界上由空洞形成晶界裂紋這是較低應(yīng)力和較高溫度下產(chǎn)生的裂紋。這種裂紋出現(xiàn)在晶界上突起的部位和細小的第二相質(zhì)點附近，由于晶界滑動產(chǎn)生空洞，這些空洞長大并連接，就形成裂紋。由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，所以晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小和晶粒度的均勻性對蠕變斷裂都會產(chǎn)生很大影響。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能26鍋爐高溫耐熱鋼斷口組織材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能27三晶交界處滑移受阻，應(yīng)力集中，形成楔形裂紋：低溫高應(yīng)力晶界第二相質(zhì)點處，滑移受阻，形成空洞：高溫低應(yīng)力蠕變斷裂機理示意圖材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能由于蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生，所以晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小和晶粒度的均勻性對蠕變斷裂都會產(chǎn)生很大影響。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能29

三、斷口特征

1、宏觀特征

(1)斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋（斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象）；

(2)高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能302、微觀特征冰糖狀花樣的沿晶斷裂。Ni基高溫合金發(fā)動機葉片蠕變斷裂后形貌06Cr25Ni20奧氏體耐熱不銹鋼：在斷口的一些區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)頗多沿晶裂紋，其裂紋大多由非規(guī)則的空穴相連而成，并沿奧氏體晶界分布。管內(nèi)介質(zhì)為H2、N2、CO等，工作壓力為3.8kPa，工作溫度790℃，其中18管使用約4×104h，28管使用8000h后斷裂。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能31§8-3高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素一、蠕變極限為了保證高溫長時載荷作用下的機件不會產(chǎn)生過量蠕變，要求金屬材料具有一定的蠕變極限。

1、定義是材料在高溫長時載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能322、表達方式

(1)在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)蠕變速率不超過規(guī)定值時的最大應(yīng)力，用表示。例如：表示：在600℃，穩(wěn)態(tài)蠕變速率=1×10-5%/時的蠕變極限為60MPa。600℃1×10-5%/h材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能33(2)在規(guī)定溫度（t）與試驗時間（τ）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長率（δ）不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力。用符號表示。例如：表示：材料在500℃溫度下，10萬小時，蠕變總伸長率δ=1%的蠕變極限為100MPa。500℃100000h總伸長量為1%材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能3、選取選用哪種表示方法，根據(jù)服役工況來確定。若蠕變速率大而服役時間短，可?、疟硎痉椒ā７粗?，服役時間長，則取后一種表示方法。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能35

4、測試

蠕變試驗裝置。具體試驗時，在同一溫度下要用4個以上的不同應(yīng)力進行蠕變試驗，到規(guī)定的時間（數(shù)百至數(shù)千小時）后停止；根據(jù)實驗結(jié)果繪出應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率或應(yīng)力-總伸長率關(guān)系曲線；可采用較大的應(yīng)力，以較短的時間作出幾條蠕變曲線，根據(jù)所測定蠕變速率，用內(nèi)插或外推法求出規(guī)定蠕變速率的蠕變極限值。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能36

試樣7卡在夾頭8上，然后置于電爐6中加熱，試樣溫度用捆在試樣上的熱電偶5測定，爐溫用鉑電阻2控制，通過杠桿3和砝碼4對試樣加載，使之承受一定的拉應(yīng)力，試樣的伸長量用安裝在爐外的引伸計1測量。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能蠕變測試設(shè)備材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能38用內(nèi)插法或外推法求蠕變極限。注意：用外推法時，蠕變速率只能比最低試驗點的數(shù)據(jù)低一個數(shù)量級；否則，外推值不可靠。12Cr1MoV鋼σ－ε圖材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能39

二、持久強度極限

1、定義

在規(guī)定溫度（t）下，達到規(guī)定的持續(xù)時間（τ）而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。用表示。

2、選取對于設(shè)計某些在高溫運轉(zhuǎn)過程中不考慮變形量大小，而只考慮在承受給定應(yīng)力下使用壽命的機件，一般選取持久強度。如鍋爐的過熱蒸氣管，持久強度極限是很重要的性能指標(biāo)。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能403、測試通過高溫拉伸持久試驗測定。不需要測定樣品的伸長量，只要測定試樣在規(guī)定時間和應(yīng)力作用下至斷裂的時間?！魧τ谠O(shè)計壽命幾百至數(shù)千小時的機件，材料的持久強度極限可直接用同樣的時間進行試驗確定。◆對于壽命長的機件，使用數(shù)萬以上小時，不可能長時間做測試，所以類似于蠕變試驗，一般做應(yīng)力較大、時間較短（數(shù)百小時）的試驗數(shù)據(jù)，繪出直線，通過外推法來求持久強度極限。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能41材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能42材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能43

三、剩余應(yīng)力

1、松弛穩(wěn)定性：金屬材料抵抗應(yīng)力松弛的性能。可通過應(yīng)力松弛試驗測定的應(yīng)力松弛曲線來評定。

2、金屬的松弛曲線：在規(guī)定溫度下，對試樣施加載荷，保持初始變形恒定，測定試樣上的應(yīng)力隨時間延長而降低的曲線。

3、剩余應(yīng)力：應(yīng)力松弛試驗中任一時間試樣上所保持的應(yīng)力，用σr。是評定金屬材料應(yīng)力松弛穩(wěn)定性的指標(biāo)。

4、松弛應(yīng)力：試樣上所減少的應(yīng)力，即初始應(yīng)力與剩余應(yīng)力之差，用σre表示。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能44材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能45

對于不同金屬材料或同種材料經(jīng)過不同的熱處理，在相同試驗溫度和初始應(yīng)力下，經(jīng)規(guī)定時間后，剩余應(yīng)力越高，松弛穩(wěn)定性越好。例如：20Cr1Mo1V1鋼廣泛應(yīng)用于氣輪機、燃氣輪機緊固件，經(jīng)過不同的熱處理工藝（正火、油淬＋回火）后的應(yīng)力松弛曲線（初始應(yīng)力σ0＝300MPa）如圖所示可見，正火工藝的剩余應(yīng)力高，說明其具有較好的應(yīng)力松弛穩(wěn)定性。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能46

四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素根據(jù)蠕變變形與斷裂機理可知，要提高蠕變極限，必須控制位錯攀移的速率，要提高持久強度極限，必須控制晶界的滑動。也就是說要提高金屬材料的高溫力學(xué)性能，就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界的原子擴散過程。這主要取決于合金的化學(xué)成分、冶煉工藝、熱處理工藝等因素。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能47

（一）合金化學(xué)成分的影響位錯越過障礙所需的蠕變激活能越高的金屬，越難產(chǎn)生蠕變變形。實驗表明純金屬的蠕變激活能大約與其擴散激活能接近，所以耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金?？杉尤耄喝埸c高的Me

，含有能形成彌散相的Me、能增加晶界擴散激活能的Me（硼、稀土）。詳細如下材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能48(1)在基體中加入鉻、鉬、鎢、鈮等形成單相固溶體，除產(chǎn)生固溶強化外，還因Me使層錯能降低，易形成擴展位錯，且溶質(zhì)原子與溶劑原子的結(jié)合力較強，增大了擴散激活能，從而提高蠕變極限。

(2)加入能形成彌散相的，彌散相能強烈阻礙位錯的滑移，是提高高溫強度的有效方法。彌散相粒子硬度越高，彌散度越大，穩(wěn)定性越高，則強化作用越好。

(3)添加能增加晶界擴散激活能的，如硼、稀土等，既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋面的表面能，對提高蠕變極限和持久強度極限有效。材料力學(xué)性能第八章--金屬高溫力學(xué)性能49

（二）冶煉工藝的影響冶煉時：盡量減少夾雜物和某些冶金缺陷。各種耐熱鋼及高溫合金對冶煉工藝的要求較高，由于鋼中的夾雜